Fuerte falsificación empírica de la mecánica cuántica basada en la densidad de energía del vacío

Question

Es bien sabido que la densidad de energía observada en el vacío es de muchos órdenes de magnitud menos que el valor calculado por la teoría cuántica de campos. Los valores publicados oscilan entre 60 y 120 órdenes de magnitud, dependiendo de las suposiciones que se hagan en los cálculos. ¿Por qué no se reconoce universalmente esto como una fuerte falsificación empírica de la mecánica cuántica?

Answer 1

Experimentalmente, a partir de las observaciones cosmológicas, parece existir una energía del vacío (el componente de "energía oscura" del presupuesto energético cosmológico), con un valor determinado. En la época actual, parece haber unas tres veces más energía de vacío/oscura que "materia oscura" y unas quince o veinte veces más energía oscura que materia visible. Esta concentración de energía oscura plantea dos rompecabezas muy serios, pero ninguno de ellos sugiere en absoluto una ruptura de la mecánica cuántica.

El primer problema, mencionado en la pregunta, es el de la "jerarquía". No existe ninguna predicción mecánica cuántica para la densidad de energía absoluta del vacío. Sin embargo, es posible hacer algunas "conjeturas" muy crudas sobre esta cantidad. Sabemos que una nueva física fundamental debe tomar el relevo en la escala de energía de Planck $E_{P}$ donde las interacciones gravitacionales están en el régimen profundamente cuántico. Por lo tanto, podemos suponer que la densidad de energía del vacío es proporcional a $E_{P}^{4}$ . (Esto es ciertamente no a predicción de la mecánica cuántica, sin embargo. Estrictamente, según la teoría cuántica de campos, sin incluir la gravedad, la energía del vacío es inobservable y, por tanto, ni siquiera está bien definida). El problema con la $\propto E_{P}^{4}$ Supongo que la energía del vacío está fuera de los 275 neperios, más o menos. Pero eso no falsifica la mecánica cuántica, ya que nuestra suposición no se basaba en una teoría cuántica rigurosa.

El otro rompecabezas con la densidad de energía del vacío (el problema de la "coincidencia") es que su valor en la época cosmológica actual es bastante cercano a la densidad de energía de la materia en el universo, aunque no hay a priori razón por la que ambos deberían estar relacionados. El hecho de que las densidades de la materia (ligera más oscura) y de la energía oscura sean relativamente cercanas sugiere que lo que observamos como energía aparente del vacío podría ser perfectamente otra cosa. Pero nadie sabe qué podría ser ese "algo más".

Answer 2

"La mecánica cuántica" es en realidad una teoría muy general y amplia que "realmente", al menos partiendo de muchas concepciones más modernas del tema, trata de información y, más concretamente, es un idioma para escribir teorías que describan (de alguna manera) la física en la que la información contenido es limitada, al igual que la relatividad es en realidad una teoría del espacio y del tiempo en la que la información velocidad de propagación es limitado. Y además, que la información está limitada de tal manera que hay compensaciones entre la información que determina varios parámetros físicos de un sistema, y no una "pixelización" simplista. Eso es, en efecto, lo que el "verdadero" significado de la constante de Planck $\hbar$ y el hecho de que $\hbar > 0$ significa. Consulta la página de Scott Aaronson aquí para la idea de la mecánica cuántica como un lenguaje para escribir teorías, en lugar de por sí mismo una teoría en sí misma:

https://www.scottaaronson.com/democritus/lec9.html

aunque no toca específicamente la noción de "límite de información", para eso, prueba:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/36/1/015010

por ejemplo, en la sección 3.8, se menciona la idea de la QM como una teoría con información limitada, al menos de forma tangible, aunque no lo hace de la misma forma que yo lo había elaborado.

La manera de "falsificar" la mecánica cuántica sería mostrar un caso en el que su informativo Los límites se violan, por ejemplo, si alguien encuentra la manera de crear una partícula que tenga posición y momento (u otro par de parámetros físicos incompatibles) definidos con más precisión de lo que permite el límite de Heisenberg. El mero hecho de encontrar un fallo en ciertas teorías construido sobre (por ejemplo, las "teorías cuánticas de campo" - QFT) para dar cuenta del valor de un parámetro cosmológico que ya va a estar bien en el rango de esos límites no va a necesariamente falsificar la QM, ya que otra teoría escrita en su lenguaje podría seguir funcionando y ser capaz de dar cuenta de ese resultado, incluso de forma espectacular. Simplemente falsificará esa teoría en particular construido con de la misma, es decir, las QFT del Modelo Estándar. (Si las QFTs totalmente son fuera, al menos a un nivel fundamental, es discutible, pero el SM está al menos garantizado que tiene algo malo).

Answer 3

Nuestra predicción sobre el orden de magnitud de la energía del vacío está muy equivocada. Sin embargo, hay que tener en cuenta que

1. Es posible ajustar con precisión los parámetros libres de la teoría para que coincidan con la medición. Esto se consigue mediante una delicada cancelación entre los llamados parámetros a nivel de árbol y las correcciones. Cuando hacemos el cálculo de la parte posterior de la envoltura, suponemos implícitamente que no se producen tales cancelaciones.

2. No se trata de una prueba de la mecánica cuántica en sí misma, sino de una prueba de una teoría particular que obedece a una combinación de mecánica cuántica y relativa especial. Estas teorías se denominan teorías cuánticas de campos. Hay muchas teorías de este tipo, ya que podemos introducir muchos tipos de campos y dejar que interactúen de muchas maneras diferentes.

Por lo tanto, la mecánica cuántica no está falsificada ya que las mediciones de la energía del vacío no la prueban directamente. E incluso las teorías que las mediciones sí ponen a prueba no están falsificadas porque podemos encontrar combinaciones de parámetros extremadamente ajustadas que coinciden con las observaciones.

El hecho de que se requiera un ajuste fino se considera problemático y podría significar que nuestras teorías podrían ser algo inverosímiles; lea sobre naturalidad/ajuste fino en física para obtener más información.

Answer 4

Dado que necesitamos la mecánica cuántica para describir los átomos, los metales, cualquier cosa que tenga que ver con la física de partículas, etc., no es algo que se pueda dejar de lado tan fácilmente. Cualquier alternativa a la mecánica cuántica, buscada por el problema de la energía del vacío, tendría que comportarse, no obstante, como la mecánica cuántica en todos aquellos casos en los que sí funciona.

En cualquier caso, una energía de vacío imposiblemente grande no es una predicción genérica de la mecánica cuántica. Hay muchas teorías cuánticas en las que la energía del vacío es igual a cero, en particular todas las teorías cuánticas supersimétricas en las que la supersimetría permanece intacta.

Dado que las grandes energías de vacío provienen de teorías cuánticas que combinan el modelo estándar, o extensiones supersimétricas del modelo estándar, con la gravedad de una manera determinada, la suposición habitual ha sido que se obtendrá una energía de vacío pequeña mediante la identificación de la combinación correcta de campos, y/o el enfoque correcto de la gravedad cuántica, en lugar de abandonar la mecánica cuántica per se.

Además, incluso si su teoría predice una gran energía de vacío, si es una teoría de campos puede simplemente postular un término constante cosmológico separado que anule la mayor parte. (Puede ver esto en acción en "El nuevo modelo estándar mínimo" en los comentarios en torno a la ecuación 3). Esto se considera insatisfactorio para una teoría fundamental, porque requiere una cuasi-coincidencia enormemente improbable entre dos parámetros independientes, pero proporciona una manera de que una teoría cuántica produzca una energía neta del vacío del tamaño correcto.

Así que el problema de la energía del vacío es un problema real, pero casi nadie busca una respuesta a través del abandono de la mecánica cuántica, excepto la gente que ya está desarrollando una alternativa a la mecánica cuántica por otras razones. (Creo que la "electrodinámica estocástica" puede estar motivada en parte por los problemas de la energía del vacío). Por cierto, otra razón por la que la gente no procede así, es que las alternativas conocidas a la mecánica cuántica no equivalen a todas las demás cosas que la mecánica cuántica puede hacer. Un ejemplo básico: los campos de fermiones, en los que hay antipartículas además de partículas, y pueden crearse y destruirse por parejas. La mecánica bohmiana es una de las principales alternativas a la mecánica cuántica y, sin embargo, que yo sepa, no existe ningún modelo bohmiano de campos de fermiones. Lo que quiero decir aquí es que los físicos que se preocupan por describir la física en el nivel en el que la energía del vacío es un problema, en realidad no tienen ninguna alternativa existente al marco cuántico.

Answer 5

Esta es una muy buena pregunta. Como se ha señalado anteriormente, no es una predicción de la mecánica cuántica "ordinaria", sino de la QED/QFT. Como es probablemente la predicción más errónea de la historia, algo fundamental está mal. Sin embargo, dado que las predicciones de la QED tienden a ser confirmadas con mucha precisión por los experimentos, no puede ser una falsificación completa. Sin embargo, algo en la teoría es falso. Hasta ahora no se ha resuelto.